- Titel
- Airborne Observations of Surface Cloud Radiative Effect over the Fram Strait: Impact of Surface, Cloud, and Thermodynamic Properties
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-945796
- Datum der Einreichung
- 21.02.2024
- Datum der Verteidigung
- 24.09.2024
- Abstract (DE)
- Im Vergleich zum Rest der Erde erfährt die Arktis eine signifikant schnellere Klimaerwärmung, die unter dem Begriff Arktische Verstärkung bekannt ist und mit zahlreichen sich verstärkenden Prozessen und Mechanismen einhergeht. Wolken spielen aufgrund ihrer Mitwirkung in verschiedenen, gegensätzlichen Effekten eine zwiespältige und eine der unsichersten Rollen für die Veränderung des arktischen Klimasystems. Daher ist die Untersuchung arktischer Wolken und ihrer Effekte von essenzieller Bedeutung, um den arktischen Klimawandel besser zu verstehen und in Modellen repräsentieren zu können. Diese Arbeit quantifiziert den bodennahen Strahlungseffekt von Wolken (engl. cloud radiative effect, CRE) aus einer Kombination von flugzeuggetragenen Breitbandstrahlungsmessungen während tiefer Flugabschnitte unter meist bewölkten Bedingungen und Strahlungstransfersimulationen für wolkenlose Bedingungen. Die Flugzeugmessungen wurden über den gegensätzlichen offenen Ozean- und Meereisoberflächen während dreier jahreszeitlich unterschiedlicher Kampagnen in der Umgebung von Spitzbergen aufgenommen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Oberflächen-, Wolken- und thermodynamischen Eigenschaften sowie Sonnenzenitwinkel (SZW) auf Unterschiede des solaren, thermisch-infraroten (TIR) und gesamten (solar+TIR) CRE, in Bezug auf die verschiedenen Kampagnen und Oberflächentypen. Die Unterschiede des solaren CRE werden überwiegend vom Kontrast der Oberflächenalbedo und vom jahreszeitlich variierenden SZW angetrieben. Der stärkste Abkühlungseffekt wurde im Frühsommer festgestellt und die über offenem Ozean beobachtete Abkühlung war stärker als über Meereis (-259 W m-2 vs. -65 W m-2 im Frühsommer, -108 W m-2 vs. -17 W m-2 im Frühjahr). Außerdem beeinflussen von Wolken ausgelöste Veränderungen der Oberflächenalbedo den solaren CRE je nach SZW und Oberflächentyp. Der TIR CRE zeigte aufgrund der vorherrschenden opaken Wolken und einer Kompensierung von Effekten sich ändernder Temperatur und Feuchte nur schwache Veränderungen zwischen den Kampagnen und Oberflächentypen (etwa 75 W m-2). Daher wird die Variabilität des gesamten CRE von der Schwankung des solaren CRE bestimmt. Über offenem Ozean wurde ein Abkühlungseffekt während aller Kampagnen beobachtet, über Meereis konnte der solare Abkühlungs- den TIR Erwärmungseffekt hingegen nur im Frühsommer ausgleichen. Für die gesamte Region Framstraße resultiert ein mittäglicher erwärmender, neutraler und abkühlender Effekt in Frühjahr, Frühsommer und Spätsommer aus dem Jahresgang der Meereisbedeckung. Zusätzlich zur eher qualitativen Analyse der einzelnen Einflussfaktoren auf die Unterschiede des solaren CRE wird ein Ansatz zur quantitativen Bestimmung dieser Faktoren angeregt. Diese neue Methode basiert auf einer Fallstudie mit sich verändernden Wolken- und Oberflächeneigenschaften senkrecht zur Eiskante während eines Warmlufteinschubs. Trotz signifikant mangelnder Komplexität der dem Fall zugrundeliegenden Parametrisierung werden plausible relative Beiträge von 77 % und 23 % zum Unterschied des solaren CRE zwischen offenem Ozean und Meereis für Oberflächen- respektive Wolkeneigenschaften ermittelt.
- Abstract (EN)
- Compared to the rest of the globe, the Arctic experiences a significantly more rapid climate warming, which is called Arctic amplification and linked to numerous intensifying processes and mechanisms. Due to their contribution to and modification of various counteracting effects, clouds play one of the most ambiguous and uncertain roles in the change of the Arctic climate system. Thus, the investigation of clouds and their effects in the Arctic is essential to better understand and represent the Arctic climate change. This thesis quantifies the near-surface cloud radiative effect (CRE), which is obtained from a combination of airborne broadband radiation measurements during low-level flight sections under mostly cloudy conditions and radiative transfer simulations for cloud-free conditions. The airborne measurements were acquired over the contrasting open ocean and sea ice surfaces during three seasonally distinct campaigns in the vicinity of Svalbard. The objective of this thesis is to analyze the impact of surface, cloud, and thermodynamic properties as well as solar zenith angle (SZA) on differences of the solar, thermal-infrared (TIR), and total (solar+TIR) CRE with respect to the particular campaigns and surface types. The difference of the solar CRE is found to be predominantly driven by the contrasting surface albedo and the seasonally varying SZA. The strongest solar cooling effect was detected in early summer and the cooling observed over open ocean was stronger compared to sea ice (-259 W m-2 vs. -65 W m-2 in early summer, -108 W m-2 vs. -17 W m-2 in spring). Additionally, modifications of the surface albedo induced by the cloud-related illumination changes affect the solar CRE depending on SZA and surface type. The TIR CRE varied only weakly between campaigns and surface types (around 75 W m-2) due to the predominant opaque clouds and a compensation effect of changing temperature and humidity. Consequently, the variability of the total CRE is driven by the solar CRE variation. While a total cooling effect was present over open ocean during all campaigns, the solar cooling could compensate the TIR warming effect over sea ice only during early summer. For the entire Fram Strait region, the seasonal cycle of the sea ice distribution results in a total warming, neutral, and cooling effect during solar noon in spring, early summer, and late summer. In addition to the rather qualitative analysis of the individual contributors to the CRE differences, an attempt to quantitatively disentangle the contributions is proposed. This new method is based on a case study with varying cloud and surface properties over the sea ice edge during a warm air intrusion. Although the underlying parameterization developed for the case significantly lacks complexity, plausible relative contributions of surface and cloud properties of about 77 % and 23 % to the solar CRE difference between sea ice and open ocean are retrieved.
- Freie Schlagwörter (EN)
- Arctic, cloud radiative effect, airborne observations, Arctic amplification
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-945796
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 26.11.2024
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung Abstract 1 General Introduction 1.1 Arctic Amplification – The Accelerated Warming of the Arctic 1.2 Clouds in the Arctic Climate System 2 Definitions and Theory 2.1 Radiative Quantities 2.2 Radiative Energy Budget 2.3 Surface, Cloud, and Atmospheric Properties 3 Motivation and Objectives 3.1 Previous Research on Cloud Radiative Effect 3.2 Aims of the Thesis 4 Observations and Methods 4.1 Aircraft Measurements 4.1.1 Broadband Radiation Measurements 4.1.2 Complementary Observations 4.2 Radiative Transfer Simulations 4.3 Calculation of Cloud Radiative Effect 4.4 Retrieval of Surface Albedo in Cloud-Free Conditions 4.4.1 Sea Ice Albedo and Retrieval of Equivalent Liquid Water Path 4.4.2 Open Ocean Albedo 4.4.3 Albedo of Inhomogeneous Surfaces 4.5 Uncertainty Estimation 4.5.1 Broadband Radiation Measurements 4.5.2 Radiative Transfer Simulations 4.5.3 Cloud Radiative Effect 4.6 Overview of Employed Data sets from all Campaigns 5 Statistical Analysis of Surface Cloud Radiative Effect 5.1 Campaign Characteristics 5.1.1 Sea Ice Distribution and Solar Zenith Angle 5.1.2 Thermodynamic Profiles 5.1.3 Cloud Properties 5.2 Impact of Cloud-Induced Albedo Modification 5.2.1 Impact on Surface Albedo 5.2.2 Impact on Solar Cloud Radiative Effect 5.3 Impact of Flight Altitude 5.4 Observed Cloud Radiative Effect 5.4.1 Solar Cloud Radiative Effect 5.4.2 Thermal-Infrared Cloud Radiative Effect 5.4.3 Total Cloud Radiative Effect 6 Sensitivity of Solar Cloud Radiative Effect to Surface and Cloud Properties 6.1 Introduction of Case 6.1.1 Synoptic Situation 6.1.2 Surface and Cloud Characteristics 6.2 Contributions to Solar Cloud Radiative Effect 6.2.1 Relative Contributions along a Continuous Time Series 6.2.2 Relative Contributions between States 7 Conclusions and Outlook 7.1 Summary and Conclusions 7.2 Outlook A Appendix A.1 Uncertainty Estimation A.1.1 Broadband Radiation Measurements A.1.2 Radiative Transfer Simulations A.1.3 Cloud Radiative Effect List of Figures List of Tables List of Symbols and Acronyms Bibliography Acknowledgements Summary of the Dissertation List of Papers and Author’s Contribution Supervision Statement